XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG PHƯƠNG PHÁP MAGNETRON

BẰNG PHƯƠNG PHÁP MAGNETRON

---ooo---

Mục tiêu: Sau khi học xong bài này các sinh viên có khả năng:

- Về kiến thức: nêu được phương pháp đo và các bước tiến hành thí nghiệm xác định điện tích riêng của electron.

- Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các dụng cụ đo, tiến hành đúng trình tự thí nghiệm để thu được số liệu chính xác.

- Về thái độ: cẩn thận, kiên trì, chính xác, trung thực, khách quan.

1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Chuyển động của electron trong từ trường đều

Sau khi được gia tốc bằng một điện trường, electron bay vào trong một từ trường đều B

với vận tốc ban đầu v

. Trong từ trường, electron chịu tác dụng bởi lực Lorentz

F = − ×ev B 

(6.1) Lực F

có phương vuông góc với v và B

. Trong trường hợp phương của vectơ vận tốc v

vuông góc với vectơ cảm ứng từ B

thì độ lớn của lực F

là

F = e v B (6.2) Theo định luật II Newton

  F=m a Do F vuông góc với v nên F đóng vai trò của lực hướng tâm

 

F=m an

Hình 6.1: Quỹ đạo chuyển động

của electron trong từ trường.

 V  F ×  B - e

2 m v e v B= r ⇒

Bán kính cong của quỹ đạo của electron là m v

r e B

= (6.3)

Vì F

vuông góc với v nên lực F

không thực hiện công và do đó động năng của electron sẽ được bảo toàn, nghĩa là v = const. Từ (6.3), ta suy ra r = const.

Vậy electron chuyển động tròn đều trên quỹ đạo tròn bán kính r được xác định từ công thức (6.3).

Từ đó, ta suy ra tỉ số e m

e v

m = B r (6.4)

Để tạo ra chùm electron chuyển động với vận tốc không đổi v trong từ trường, người ta dùng một đèn magnetron M đặt ở bên trong một ống dây solenoid D.

1.2. Mô tả hoạt động của đèn magnetron

Đèn magnetron M là một bóng thủy tinh, bên trong có độ chân không cao ( 7 8 )

10− −10 mmHg− và có ba điện cực: cathode K và anode A là hai ống kim loại hình trụ, lưới G là một lưới kim loại hình trụ ngăn giữa anode và cathode. Các điện cực này được đặt cùng trục với đèn magnetron M, nhưng cathode K nằm gần lưới G hơn và có đường kính khá nhỏ so với anode A. Cathode K được nung nóng bằng một dây kim loại nối với nguồn điện U2. Nguồn điện U3 được nối giữa cathode K và lưới G, tạo ra một điện trường làm tăng tốc các electron nhiệt phát ra từ cathode K. Các electron này chuyển động qua lưới G đến anode A tạo thành dòng điện anode I2 được đo bằng miliampere kế A2 (hình 6.3). Động năng của electron khi bay tới lưới G có trị số bằng công của lực điện trường giữa cathode K và lưới G

21 1

mv eU

2 = (6.5)

với U là hiệu điện thế giữa cathode K và lưới G đo bằng volt kế V, còn e và m là độ lớn của điện tích và khối lượng của electron, v là vận tốc của electron khi bay tới lưới G.

Vì anode A được nối với lưới G bằng một dây dẫn có điện trở rất nhỏ nên hiệu điện thế giữa chúng coi như bằng không. Electron sẽ chuyển động thẳng đều từ lưới G về anode A với vận tốc không đổi v để tạo ra dòng điện có cường độ I2 chạy qua miliampere kế A2. Từ công thức (6.5), ta suy ra vận tốc v của electron:

2eU v

m

= (6.6)

Ống dây solenoid D được nối với nguồn điện U1. Dòng điện chạy qua cuộn dây này có cường độ I sẽ tạo ra trong lòng ống dây solenoid D một từ trường có vectơ cảm ứng từ B

hướng dọc theo trục của đèn magnetron M và vuông góc với vectơ vận tốc v của electron. Từ trường tác dụng lên electron một lực Lorentz FL

(tính theo công thức (6.1) và có giá trị tính theo công thức (6.2)) làm electron chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính r được xác định bởi công thức (6.3).

Thay (6.6) vào (6.4), ta được

e 1 2eU m = B r m

⇒ e 2U2 2

m = B r (6.7)

Cảm ứng từ B trong lòng của ống dây solenoid D khi có dòng điện cường độ I chạy qua tính bằng công thức

o

B= αµ n I (6.8)

với 7

o 4 10− H / m

µ = π là hằng số từ, n là số vòng dây trên một đơn vị

dài của ống dây, αlà hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo của ống dây solenoid D. Thay (6.8) vào (6.7), ta có ( )2 2 o e 2U m = n I r αµ (6.9)

Theo (6.3), bán kính r của quỹ đạo tròn của electron tỷ lệ nghịch với cảm ứng từ B. Theo (6.8), cảm ứng từ B tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I qua ống dây. Vì vậy, khi I tăng thì r giảm. Khi I tăng tới giá trị I1 giới hạn thì r d

2

Nếu I>I1 thì r d 2

< , lúc này các electron không tới được anode A nên cường độ dòng điện anode I 2 sẽ bằng không (hình 6.2.).

Thay I=I1 và r d 2 = vào (6.9), ta tìm được: ( )2 o 1 e 8U m = n I d α µ (6.10)

Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định điện tích riêng e

m của electron dựa theo công thức (6.10) bằng cách dùng volt kế V để đo hiệu điện thế U giữa cathode K và lưới G, đồng thời dùng ampere kế A1để xác định cường độ dòng điện

I1chạy qua ống dây solenoid D lúc dòng điện anode I2bắt đầu triệt tiêu.

2. DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO

2.1. Dụng cụ đo

Bộ thí nghiệm vật lý BKE-100PS gồm có: - Đèn magnetron.

- Ống dây solenoid dùng tạo ra từ trường.

- Nguồn một chiều U (0-6V - 1 5A) cung cấp dòng điện qua cuộn dây.

- Nguồn một chiều U (0-6V - 2 0,5A) dùng để đốt nóng cathode. - Nguồn một chiều U (0-12V - 3 100mA) dùng để tạo dòng anode

qua đèn.

- Ampere kế A1dùng để đo dòng điện I qua cuộn dây. - Ampere kế A2dùng để đo dòng anode I . 2

- Volt kế V dùng để đo hiệu thế giữa lưới G và cathode K.

1I >I I >I 1 I =I I <I1 0 I = G A

Hình 6.2: Quỹ đạo của electron trong từ trường ứng với các trường hợp khác nhau của dòng điện I qua

cuộn dây.

2.2. Phương pháp đo

Mắc mạch điện như ở hình vẽ 6.3. Theo lý luận nêu trên, điện tích riêng e

m của electron được xác định theo công thức (6.10), trong đó µo là hằng số từ, α và n là các hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của ống dây solenoid D, d là khoảng cách giữa lưới G và anode A của đèn magnetron. Như vậy, ta cần đo hiệu thế U giữa anode

A và lưới G bằng volt kế V, và cường độ dòng điện I 1 qua cuộn dây bằng ampere kế A khi dòng anode I1 2bắt đầu triệt tiêu.

Để xác định cường độ dòng điện I , 1 ta chỉ cần tăng dần cường độ dòng điện I qua cuộn dây trên miliampe-kế A 1 từ giá trị 0 và đồng thời theo dõi quá trình giảm dần của cường độ dòng điện I trên 2 miliampe-kế A2. Khi cường độ dòng điện

2

I bắt đầu triệt tiêu thì I=I1. Nhưng vì

các electron nhiệt phát ra từ cathode K có vận tốc khác nhau nên một số electron có vận tốc lớn vẫn có thể bay tới anode A ngay cả khi I=I1 nên dòng điện I không hoàn toàn triệt tiêu. Do đó, đồ thị 2 I2 =f I( ) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện I vào dòng điện I có dạng một đường cong 2

Hình 6.3: Sơ đồ mạch điện trong thí nghiệm xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp phương pháp magnetron.

D U2 K M A U1 G U3 + - + _ + _ VG + _ A2 - + A1 I I O I1 a b Hình 6.4: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của I2

như hình 6.4, đoạn dốc nhất ab của nó ứng với trường hợp đa số electron không tới được anode A. Như vậy, ta không thể xác định giá trị chính xác của cường độ dòng điện I trên 1 ampere kế A khi dòng 1 I trên 2 miliampere kế A bắt đầu triệt tiêu. Để xác định tương đối chính xác giá 2 trị I1, ta vẽ đồ thị I2 =f I( ). Sau đó, vẽ tiếp tuyến với đường cong này tại đoạn ab. Tiếp tuyến này sẽ cắt trục hoành OI tại điểm có giá trị I . 1